KR100328069B1 - 스프링용선재의제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차의 밸브 등에 이용되는 스프링용 선재의 제조방법에 관한 것이며; 그 목적은 선재 냉각시 저온조직(베이나이트+마르텐사이트)이 발생하지 않아 신선가공성이 우수한 스프링용 선재의 제조방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중량%로 C: 0.51-0.59%, Si: 1.20-1.60%, Mn: 0.60-0.90%, Cr:0.6-0.90%, P:0.035%이하, S: 0.035%이하, V: 0.005-0.010% 및 나머지 Fe와 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 강편을 900-1050℃로 가열하여 선재압연하고, 이어 물분사에 의해 급속냉각하여 760-800℃의 온도에서 권취한 다음, 1.3-1.9℃/sec의 냉각속도로 625-675℃의 온도로 냉각하고, 이어 0.3-0.5℃/sec의 냉각속도로 540-660℃의 온도로 냉각한 후 상온까지 공냉하여 이루어지는 스프링용 선재의 제조방법에 관한 것을 그 요지로 한다.

Description

스프링용 선재의 제조방법{A method of manufacturing wire rods for spring}

본 발명은 자동차의 밸브 등에 이용되는 스프링용 선재의 제조방법에 관한 것으로,보다 상세히는 선재 냉각시 저온조직(베이나이트+마르텐사이트)이 발생하지 않아 신선가공성이 우수한 스프링용 선재의 제조방법에 관한 것이다.

밸브 스프링용 선재는 주로 자동차 엔진의 흡·배기 밸브의 스프링에 사용되며, 이러한 스프링은 고온압축과, 반복하중을 받기 때문에 우수한 피로특성 및 변형저항성과 용도특성상 1천만회 이상의 높은 피로수명을 요구하게 된다. 따라서, 스프링용 선재는 비금속개재물, 편석, 탈탄 및 표면결함의 정밀제어가 필수적이다.

밸브용 스프링 선재는 합금원소인 다량의 실리콘(1.4% Si) 및 크롬(0.7% Cr) 의 영향으로 열간선재압연후 선재냉각과정에서 저온조직(베이나이트+마르텐사이트)이 생성되는 문제가 있다. 이 저온조직은 신선가공시 기지조직보다 경도가 높기 때문에 저온조직 주위에 응력이 집중되어 단선의 원인이 되고 있는 바, 선재를 연화열처리 하여 저온조직을 없애고 난후 신선가공하고 있다.

따라서, 선재제품상태에서 저온조직 발생이 없이 신선성이 양호한 조직을 확보할 수 있다면, 신선가공전 연화열처리 공정 생략이 가능하므로 제조원가 및 에너지를 절감할 수 있는 잇점이 있어 다양한 연구가 진행중이다.

이러한 연구의 일환으로 스프링용 선재에서 저온조직의 생성 자체를 억제하는 방법이 대한민국 특허출원 92-17950호에 제안된 바 있다. 이 방법은 강편(Billet)을 980-1050℃에서 2-3시간 유지후 열간상태에서 선재압연하고 압연직후 물분사에 의해 760-790℃까지 급속냉각으로 권취하여 서냉한 후 상온까지 공냉시켜 저온조직 분율이 약 3% 수준의 선재를 생산하는 방법이다.

그런데, 최근 신선가공 기술의 발달에 따라 신선가공속도가 증가하면서 3%이하의 저온조직 분율로는 우수한 신선성을 확보할 수 없다는 문제가 있다.

이에, 본 발명자들은 스프링강 선재의 저온조직 발생을 완전히 억제하기 위하여 연구와 실험을 행하고, 그 결과에 의거하여 본 발명을 제안하게 이르렀다.

본 발명은 미량의 합금원소를 첨가하고 제어냉각에 의해 저온조직의 발생이 없어우수한 신선가공성과 내피로특성이 우수한 스프링용 선재의 제조방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 적합한 선재압연 설비의 일례를 나타내는 모식도이다.

도 2는 본 발명재의 미세조직을 나타내는 사진이다.

도 3은 비교재의 미세조직을 나타내는 사진이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 ... 재가열로 2 .... 2중연속식 선재압연기

3 ... 수냉장치 4 .... 권취기

5 ... 롤러콘베어 6 .... 선재

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 선재 제조방법은, 중량%로 C: 0.51-0.59%, Si: 1.20-1.60%, Mn: 0.60-0.90%, Cr:0.6-0.90%, P:0.035%이하, S: 0.035%이하, V: 0.005-0.010% 및 나머지 Fe와 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 강편을 900-1050℃로 가열하여 선재압연하고, 물분사에 의한 급속냉각으로 760-800℃의 온도에서 권취한 다음, 1.3-1.9℃/sec의 냉각속도로 625-675℃의 온도로 냉각하고, 이어 0.3-0.5℃/sec의 냉각속도로 540-660℃의 온도로 냉각한 후 상온까지 공냉하여 이루어진다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 오스테나이트 입도 미세화 원소인 V를 첨가하는 한편, 선재압연 및 권취온도를 제어하여 미세한 오스테나이트를 갖도록 하고, 이어 제어냉각함으로써, 저온조직의 생성을 억제하는데, 그 특징이 있으며, 이를 위한 강성분을 설명한다.

먼저, 탄소(C)는 0.51-0.59%의 범위로 함유되는 것이 바람직한데, 이는 0.51%이하에서 스프링용강으로서 충분한 강도를 확보하기 어렵고 0.59% 이상에서는 강도가 높아짐에 따라 인성확보가 어려우며 규소(Si)가 다량 함유되는 경우 소재표면의 탈탄억제가 곤란하다.

규소(Si)는 1.2-1.6% 함유되는 것이 바람직한데, 이는 1.2%이하에서는 규소(Si)가 페라이트내에 고용되어 모재의 강도를 강화시키고 변형저항성을 개선하는 효과가충분하지 못하기 때문이며, 1.6%이상에서는 변형저항성의 개선효과가 포화되고 열처리시 탈탄의 가능성이 높기 때문이다.

망간(Mn)은 0.6-0.9%로 함유되는 것이 바람직한데, 이는 0.6%이하에서는 스프링용강으로서 강도 및 소입성이 부족하고 0.9%이상에서는 인성이 저하된다.

크롬(Cr)은 0.6-0.9%의 범위로 함유되는 것이 바람직한데, 이는 0.6%이하는 충분한 소입성이 효과가 없고 0.9%이상에서는 변형저항성의 저하를 초래하기 때문이다.

인(P)은 결정입계에 편석되어 인성을 저하시키므로 0.035%이상 제한하는 것이 필요하다.

황(S)은 유화물을 형성시켜 스프링특성에 유해한 영향을 미치므로 0.035%이하로 제한하는 것이 바람직하다.

바나듐(V)은 오스테나이트 결정립을 미세하게 하여 스프링의 변형저항성과 피로수명을 향상시키는 원소로서, 0.005%이하인 경우에는 변형저항성의 개선효과가 충분하지 못하기 때문이고, 0.010%이상인 경우에는 고용강화 효과에 따른 소입성 증가로 냉각시 저온조직(마르텐사이트+베이나이트) 생성가능성이 높기 때문이다.

이하, 본 발명의 제조조건을 도 1의 도면을 통하여 상세히 설명한다.

상기와 같이 조성되는 강편을 900-1050℃의 범위로 가열하여 선재압연하는 것이 바람직하다. 그 이유는 가열온도가 900℃이하의 경우 소재의 변형저항성이 증가함에 따라 압연부하가 증가하여 압연작업성의 저하를 초래하고, 1050℃이상의 경우 10㎛이하의 미세한 오스테나이트 결정입도를 확보하기 어렵기 때문이다.

상기와 같이 가열하여 열간선재압연 한 후 물분사에 의해 급속냉각하여 권취하는데, 이때의 권취온도는 760-800℃가 바람직하다. 그 이유는 760-800℃가 오스테나이트 단상구역으로 미세한 오스테나이트 결정립을 유지할 수 있고 연속냉각시 연속냉각변태(Continuous cooling transformation) 개시온도가 높아지고 변태시간이 짧아지기 때문에 저온조직의 발생이 없는 선재를 제조할 수 있기 때문이다. 즉, 권취온도가 760℃미만의 경우 강도가 높아져서 권취가 어려우며, 800℃초과의 경우에는 저온조직이 발생한다. 이때, 급속냉각은 통상의 방법과 같이 도 1에 도시된 수냉장치(3)를 이용하여 물분사하여 냉각하면 되며 그 냉각속도는 특별히 한정하지 않는다. 이와 같이 권취된 선재는 10㎛이하의 오스테나이트 결정입을 갖는 것이 바람직하다.

상기와 같이 권취한 다음, 상온까지 냉각하는데, 이때의 냉각은 연속냉각변태시 저온조직의 발생을 최대한 억제하도록 냉각속도를 2단계로 조절하는 것이 필요하다.

먼저, 760-800℃로 권취한 후 1.3-1.9℃/sec의 냉각속도로 625-675℃의 온도범위로 1단계 냉각한다. 이와 같이 냉각속도 및 1단계 냉각온도를 설정한 것은 선재가 코일형태로 권취된 후 롤러 컨베어(5)상에서 이동시 선재집적상태 즉, 선재 각 링(ring)의 겹침부, 비겸칩부위의 냉각정도 차이를 고려한 것이다. 이러한 냉각온도 및 냉각속도의 조건은 신선성이 양호한 미세한 펄라이트조직을 확보하기 위한 것으로 연속냉각곡선상의 변태시간이 가장 짧은 노즈(nose) 부의 상부위치에 해당된다.

만일, 이러한 1단계 냉각속도 및 냉각온도를 벗어나는 경우 즉, 냉각속도가1.3℃/sec미만이거나 1.9℃/sec초과하고 또한, 냉각온도가 625℃미만이거나 675℃초과의 경우에는 적정 변태 소요시간이 불충분하게 되어 저온조직의 발생가능성이 매우 높다.

상기와 같이 625-675℃의 온도로 냉각한 후 서냉 즉, 0.3-0.5℃/sec의 냉각속도로 540-660℃의 온도로 2단계 냉각하는 것이 바람직하다. 이때 660℃이상일 경우 미변태된 오스테나이트의 잔존으로 공냉시 저온조직이 발생 가능성이 높고, 540℃이하일 경우 미세퍼얼라이트와 페라이트의 조직이 얻기가 어려워진다.

그리고, 냉각속도가 0.5℃/sec를 넘으면 저온조직이 발생할 수 있으며, 0.3℃/sec미만이면 서냉냉각설비의 한계로 540-660℃의 냉각온도를 확보하기가 어렵기 때문이다.

이와 같이 냉각한 후 상온까지 공냉하는데, 이는 변태가 완료되었으므로 냉각속도의 변화가 조직에 미치는 영향이 없기 때문이다.

이하, 본 발명을 실시예에 따라 보다 상세히 설명한다.

[실시예]

아래 표 1과 같은 조성을 갖는 강을 단면치수가 250x330mm 연주 블룸(BLOOM)을 제조한 후 강편압연하여 160x160mm의 강편을 얻은 다음, 도 1에 도시된 선재압연설비를 이용하여 아래 표 2와 같은 조건으로 선재압연을 실시하였다(아래 표 2에서 권취후 냉각속도에 따라 냉각구간을 1단계 및 2단계로 구분하였다).

구분	C	Si	Mn	P	S	Cr	V
비교재1	0.55	1.46	0.72	0.020	0.013	0.69	-
비교재2	0.56	1.45	0.70	0.015	0.014	0.70	-
발명재1	0.54	1.40	0.70	0.011	0.009	0.72	0.007
발명재2	0.56	1.42	0.69	0.013	0.012	0.70	0.009
발명재3	0.53	1.45	0.71	0.012	0.011	0.68	0.008

구분	가열온도(℃)	권취온도(℃)	1단계 냉각구간	2단계 냉각구간
			냉각온도(℃)	냉각속도(℃/sec)	냉각온도(℃)	냉각속도(℃/sec)
비교재1	1020	781	700	1.0	660	0.3
비교재2	1017	762	670	1.4	595	0.6
발명재1	1025	788	660	1.7	610	0.4
발명재2	978	778	650	1.6	600	0.4
발명재3	905	764	640	1.5	590	0.4

상기 표 2의 조건으로 선재압연된 선재의 경도 및 오스테나이트 결정입도 그리고 저온조직분율을 측정하고 그 결과를 아래 표 3에 나타내었다.

여기서, 경도(Hv) 측정은 비커스 경도기를 사용하였으며, 오스테나이트 결정입도 및 저온조직 분율은 화상분석기를 사용하여 측정하였다.

구 분	인장강도(㎏/㎟)	단면감면율(%)	경도(Hv)	저온조직분율(%)	오스나이트결정입도(㎛)
비교재 1	120	27	330	2.5	13
비교재 2	125	25	370	3.0	12
발명재1	105	58	280	0	10
발명재2	103	65	270	0	9
발명재3	109	54	300	0	8

상기 표 1, 2, 3에 나타난 바와 같이, 본 발명의 성분계를 만족하고, 본 발명에 따라 제조된 발명재(1-3)의 경우 권취후 오스테나이트 결정입도가 10㎛이하이며, 최종선재의 저온조직분율이 0%이고, 그 경도도 낮아 우수한 신성성이 확보됨을 알 수 있다.

참고로 본 발명재(1-3)의 미세조직을 도 2에 나타내었는데, 도 2에서 보는 바와 같이 기지조직에 저온조직(베이나이트 또는 마르텐사이트)이 없는 미세페라이트+퍼얼라이트 조직으로 구성되어 있다.

이에 반해 비교재의 미세조직을 나타낸 도 3를 보면 기지조직내에 저온조직(마르텐사이트+베이나이트)이 발생되어 있음을 알 수 있다.

상술한 바와같이, 본 발명에 의하면 저온조직의 발생이 없는 선재제품생산이 가능하므로 연화열처리 공정의 생략이 가능하고, 이에 따라 제조원가 및 에너지를 절감할 수 있는 유용한 효과가 있다. 또한, 선재코일의 내부조직이 균일한 스프링용선재를 생산할 수 있다.

Claims (2)

1. 중량%로 C: 0.51-0.59%, Si: 1.20-1.60%, Mn: 0.60-0.90%, Cr:0.6-0.90%, P:0.035%이하, S: 0.035%이하, V: 0.005-0.010% 및 나머지 Fe와 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 강편을 900-1050℃로 가열하여 선재압연하고, 이어 물분사에 의해 급속냉각하여 760-800℃의 온도에서 권취한 다음, 1.3-1.9℃/sec의 냉각속도로 625-675℃의 온도로 냉각하고, 이어 0.3-0.5℃/sec의 냉각속도로 540-660℃의 온도로 냉각한 후 상온까지 공냉하여 이루어지는 스프링용 선재의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 권취된 선재는 10㎛이하의 오스테나이트 결정입도를 가짐을 특징으로 하는 스프링용 선재의 제조방법.

Images